TC-3B型导热系数试验

1、TC-3B型导热系数实验稳态法测量固体导热系数（TC-3B型固体导热系数测定）仪 （集成温度传感器测温）实 验 讲 义杭州精科仪器有限公司固体导热系数的测量导热系数是表征物质热传导性质的物理 量。材料结构的变化与所含杂质等因素都会对 导热系数产生明显的影响，因此，材料的导热 系数常常需要通过实验来具体测定。测量导热 系数的方法比较多，但可以归并为两类基本方 法：一类是稳态法，另一类为动态法。用稳态 法时，先用热源对测试样品进行加热，并在样 品内部形成稳定的温度分布，然后进行测量。 而在动态法中，待测样品中的温度分布是随时 间变化的，例如按周期性变化等。本实验采用 稳态法进行测量。【实验目的】1

2、 用稳态法测定出不良导体的导热系数，并 与理论值进行比较。2 用稳态法测定铝合金棒的导热系数，分析 用稳态法测定良导体导热系数存在的缺点。实验原理】根据傅立叶导热方程式，在物体内部，取 两个垂直与热传导方向、彼此间相距为 h 、温 度分别为 T1, T2 的平行平面（设 T1 T2），若平面 面积均为 S，在 t 时间内通过面积 S的热量 Q满 足下述表达式：Q?S?(T1 T2)th式中 Qt 为热流量， 称作导热系数）， 在数值上等于 相距单位长度的 两平面的温度相 差1个单位时，单 位时间内通过单 位面积的热量， 其单位是 W ?m 1 ?K即为该物质的热导率（又本实验仪器如图 1 所示

3、：在支架上先放上圆铜盘 P，在 P的上面放上待测样品 B （圆盘形的不良导体），再把带发热 器的圆铝盘 A放在B上，发热器通电后， 热量从 A 盘传到 B 盘，再传到 P 盘，由于 A, P 盘都是良 导体，其温度即可以代表 B 盘上、下表面的温 度 T1 、 T2 ， T1 、 T2分别由插入 A, P盘边缘小孔 铂电阻温度传感器 E 来测量。通过变换温度传 感器插入位置，即可改变铂电阻温度传感器的 测量目标。由式( 1)可以知道， 单位时间内通 过待测样品 B 任一圆截面的热流量为：Q ?(T1 T2) ? ?R 2BthB( 2 ) 式中 RB 为样品的半径， h B为样品的厚度，当热

4、传导达到稳定状态时， T1和T2的值不变， 于是通 过 B 盘上表面的热流量与由铜盘 P向周围环境 散热的速率相等，因此，可通过铜盘 P 在稳定 温度 T2 时的散热速率来求出热流量 Qt 。实验 中，在读得稳态时的 T1和T2后，即可将 B盘移去， 而使发热铝盘 A 的底面与散热铜盘 P直接接触。 当盘 P 的温度上升到高于稳态时的 T2值若干摄 氏度后，再将发热铝盘 A 移开，让散热铜盘 P自然冷却。观察它的温度 T随时间 t变化情况，然后 由 此求 出 铜盘 在 T2 的 冷 却 速率 Tt T T2 ,而 m?C? Tt T T2 Qt （ m为紫铜盘 P的质量， C 为铜材的 比热容

5、 ），就是紫铜盘 P在温度为 T2时的散热速 率。但要注意，这样求出的 T 是紫铜盘 P的全 部表面暴露于空气中的冷却速率，其散热表面 积为 2 ?R2 2 ?RP ?hP（其中 RP与hP分别为紫铜盘的 半径与厚度）。然而，在观察测试样品的稳态传 热时， P盘的上表面（面积为 R 2P）是被样品覆 盖着的，根据物体的冷却速率与它的表面积成 正比的原理，这部分面积计算时应予以扣除。 那么稳态时铜盘 P 的散热速率的实际表达式应 按如下修正：Q m?C? T ? ?RP 2?RP ?hP t m?C? t ? 2?R2P 2?RP ?hP（3 ）将式（ 3）代入式（ 2），得：?RT R P 2

6、hP ?hB m?C? ? P P Bt2R P 2hP ? T1 T2（4 ）实验仪器】本实验采用杭州精科仪器有限公司生产的型导热系数测电定源仪，。安该全仪可器靠采。用整低个于加热36V的TC 3B 隔TC离3B电压作为加热电源，安全可靠。整个加热 圆筒可上下升降和左右转动，发热圆盘和散热 圆盘的侧面有一小孔，作为插入铂电阻温度传 感器之用。散热盘 P 放在可以调节的三个螺栓 （接触点隔热）上，可使待测样品盘的上下两 个表面与发热圆盘和散热圆盘紧密接触。散热 盘P下方有一个轴流式风扇，在需要快速降温 时用来强制散热。一个插在发热圆盘（上盘） 的小孔内集成温度传感器，作为系统控温和上 盘温度检

7、测用（出厂时已安装）。另一个集成温 度传感器根据实验步骤需要，分别插入散热铜 圆盘 P（下盘）或发热铝圆盘 A （上盘）的侧面 小孔内。铂电阻插入时，其表面要涂少量的硅 脂，集成温度传感器的两个接线端插在仪器面 板的插座内。变换温度传感器的插入位置，可 以由数字表方便地读取上、下盘的温度值。仪器的数字计时装置，计时范围 166min ，分辩 率 0.1s，供实验时计时用。 仪器还设置了 PID 自动 温度控制装置，控制精度 1 C，分辨率 0.1 C，供 实验时控制加热温度用。【实验内容】在测量导热系数前应先对散热盘 P 和待测样品的直径、厚度进行测量1用游标卡尺测量待测样品直径和厚度， 各测

8、5 次。2用游标卡尺测量散热盘 P的直径和厚度，测 5 次，按平均值计算 P盘的质量。 也可直接用天 平称出 P盘的质量（产品出厂时 P盘的质量已用 钢印打在上面）。 一不良导体导热系数的测量 ： 1实验时，先将待测样品（例如硅橡胶圆片） 放在散热盘 P上面，然后将发热铝盘 A 放在样品 盘B上方，并用固定螺母固定在机架上，再调 节三个螺栓，使样品盘的上下两个表面与发热 铝盘 A和散热铜盘 P紧密接触。 2将集成温度传感器插入散热盘 P 侧面的小孔 中，并将集成温度传感器接线连接到仪器面板 的传感器插座。用专用导线将仪器机箱后部插 座与加热组件圆铝板上的插座加以连接。为了 保证温度测量的准确性

9、，采用同一个温度传感 器测温，在需要测量发热盘 A 和散热盘 P温度 时，采用手动操作，变换温度传感器的测温对 象。3接通电源，在“温度控制”仪表上设置加 温的上限温度（具体操作见附录）。按加热开关， 如果 PID上限温度设置为 100 C ，那么当传感器的 温度到达 100 C ，大约加热 40 分钟后，发热铝盘 A （上盘）、散热铜盘 P（下盘）的温度不再上升 时，说明系统已达到稳态， 这时每间隔 5 分钟测 量并记录 T1和 T2的值。5测量散热盘在稳态值T2 附近的散热速率Tt ）。移开发热铝盘 A ，取下橡胶盘，并将发热铝盘 A 的底面与铜盘 P直接接触，当 P盘的温 度上升到高于稳

10、态值 T2值若干度（例如 5 C左右） 后，再将发热铝盘 A 移开，让散热铜盘 P自然冷 却，这时候，每隔 30 秒 （或自定 ）记录此时的 T2 值。根据测量值可以计算出散热速率 T 。t金属导热系数的测量 ：1将圆柱体金属铝棒置于发热圆盘与散热圆盘 之间，上下表面涂上导热硅脂。（这时候， 测温 点应该变换到铝棒的上、下小孔中）2当发热盘与散热盘达到稳定的温度分布后， T1 、 T2值为金属样品上下两个面的温度，此时 散热盘 P 的温度为 T3 值。因此测量 P 盘的冷却速 率为 ：TT1 T3由此得到导热系数为：m?C? TT1 T3h(T1 T2 )1?R2测 T3 值时可在 T1 、

11、T2 达到稳定时，将插在 铝圆柱体“上小孔”或“下小孔”中的集成温 度传感器取出，改插入散热盘 P 小孔中进行测 量。三空气的导热系数的测量 ： 当测量空气的导热系数时，通过调节三个 螺栓，使发热圆盘 A 与散热圆盘 P平行，它们之 间的距离为 h ，并用塞尺进行测量（即塞尺的 厚度，一般为几个毫米），此距离即为待测空气 层的厚度。注意：由于存在空气对流，所以此 距离不宜过大。【注意事项】1集成温度传感器插入发热铝盘 A 和散热铜盘 P侧面的小孔时应在温度传感器头部涂上导热 硅脂，避免因传感器接触不良，造成温度测量 不准。2实验中，抽出被测样品时，应先旋松加热 圆筒上端的固定螺钉。样品取出后，

12、小心将加 热圆筒降下，使发热铝盘 A 与散热铜盘 P接触，重新拧紧固定螺钉3实验操作过程中要注意防止高温烫伤。【数据与结果】1 实 验 数 据 记 录 ( 铜 的 比 热C 0.09197 Cal?g 1?( C) 1，密度 8.9g/cm3 )散热盘 P ：质量 m = (g) 半cm)径： RP 12DP测量 次数12345D P (cm)hP (cm)橡胶盘： 半径 RB 21DB( cm)测量 次数12345D B (cm)hB (cm)稳态时 T1 、T2的值： T1C ，T2C测量 次数12345T1 ( C)T2 ( C)散热速率：每间隔 30s 测一次(时s间)0 30 60

13、90 120150 180 210T3 ( C)2 根据实验结果，计算出不良导热体的导热系数（导热系数单位换算：1 Cal ? cm 1?s 1?( C) 1 418.68W /m?K ) ，并求出相对误差。附录】 PID 智能温度控制器该控制器是一种高性能。可靠好的智能型调节仪表，广泛使用于机械化工、陶瓷、轻工、冶金、热处理 等行业的温度、流量、压力、液位自动控制系 统。控制器面板布置图：例如需要设置加热温 度为 30 C，具体操作步骤如下：101 先按设定键 SET 0.5 秒,进入温度设置。（注：若学生不慎按设定键时间长达 5 秒，出 现进入第二设定区符号，这时只要停止操作 5 秒，仪器将自动恢复温控状态。 ） 2按位移键， 选择需要调整的位数， 数字闪烁 的位数即是可以进行调整的位数。 3按上调键或下